JP2011170078A - カラーフィルタ及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数色の着色層の少なくとも１色が他色と膜厚が異なっていても、高さが均一で変形ムラの少ないフォトスペーサを密度を低下させずに有するカラーフィルタを提供する。該カラーフィルタを用いた液晶表示装置を提供する。
【解決手段】液晶層のギャップを異ならせるため他色の着色層の膜厚と相違させて設けられたカラーフィルタ１において、透明基板２上に遮光層３、フォトスペーサ５、及び複数色の着色層４が、この順に設けられ、フォトスペーサ５は遮光層３上に、複数色の着色層４は遮光層３間に、その端部を遮光層３に乗り上げて設けられていること。
【選択図】図２

Description

本発明は、表示装置に用いるカラーフィルタに関するものであり、特に、マルチギャップ構造を有する液晶表示装置に用いるフォトスペーサを備えたカラーフィルタに関する。

従来、液晶表示装置においては、カラーフィルタ側基板と薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）側基板の両基板間に液晶層の厚み（ギャップ）を保つために、スペーサと呼ばれるガラス又は樹脂製の球状体粒子（ビーズ）あるいは棒状体をセル内部に散布していた。このスペーサは液晶に対して異物として存在することから、スペーサ粒子近傍の液晶分子の配向が乱され、この部分で光漏れを生じ、液晶表示装置のコントラストが低下し表示品質に悪影響を及ぼすといった問題を有している。

このような問題を解決する技術として、例えば、感光性樹脂組成物を用い、部分的なパターン露光、現像というフォトリソグラフィ法により、所望の位置、例えば、画素間に位置する格子パターン状の遮光層上に、柱状の樹脂製スペーサを形成する方法が提案されている（特許文献１、２）。このようなスペーサを以下フォトスペーサ（ＰＳ）という。このフォトスペーサは、画素間の位置すなわち遮光層上に形成できるので、表示品質の向上が望める。

またフォトスペーサにより基板間ギャップを設定する場合、圧着時に過剰な荷重が加わることでフォトスペーサに塑性変形や破壊が発生する危険がある。これを防ぐ方法の一つとして、フォトスペーサに加え、フォトスペーサよりも高さが低い別のスペーサ（サブフォトスペーサ、サブＰＳ）を配置する方法がある。圧着時にカラーフィルタと対向基板との間に過剰な荷重が加わった際に、余分な荷重をサブＰＳに分散させることにより、フォトスペーサへ荷重が集中し塑性変形や破壊が発生することを回避させるというものである。

通常、カラーフィルタは、着色層の形成時、位置ズレが生じた際に着色層と遮光層との隙間からの光漏れを防止するために、着色層は、その端部が遮光層上に乗り上げるように形成される。とくに、近年は液晶表示装置の高画質化に伴い、カラーフィルタにおいても開口率の向上や携帯端末用途や高精細化など画素ドットの微細化が進んでおり、これに伴い遮光層の細線化が進んでいる。そのため遮光層上への着色層の乗り上げ量も大きくなり、遮光層上の凹凸部分はより大きくなる傾向にある。

一般にフォトスペーサは、遮光層と着色層が形成された透明基板上に、感光性樹脂組成物を基板に塗布、乾燥した後に所定の微細パターンを持つフォトマスクを通した光で露光し、現像して形成する。
そのため、このような凹凸部分にフォトスペーサを形成した場合、フォトスペーサの形成箇所となる遮光層上の高さや形状にバラツキが生じることから、形成したフォトスペーサも同様に高さのバラツキが生じやすい。また遮光層上への着色層の乗り上げ形状や乗り上げている画素が面内で異なるため、たとえ高さが均一になっても下地の影響によりフォトスペーサの形状がバラツキやすい。そのため、面内でフォトスペーサに変形ムラが生じやすく、液晶パネルを形成した後に液晶パネルの指押し試験など局所的に外部から力がパネルに加わった際に、面内でギャップが異なることとなり表示不良となってしまう。

ところで、視野角特性改善の方法の一つとして、各画素に対応した液晶層のギャップを異ならせるマルチギャップ構造の液晶表示装置が提案されている。これは液晶層を通過す
る光の透過率が最大となる実効的な液晶層の厚さが液晶層を通過する光の波長に依存して異なるためである。一般的には、短波長の光を透過する画素ほど実効的な液晶層の厚さを薄くすることで透過率を最適化することができる。

液晶層のギャップを各画素で異ならせる方法はいくつか提案されているが、その一つとして、例えば、特許文献３のように各色の着色層の膜厚を透過光の波長に合わせて異ならせることで、対応する各画素の液晶層のギャップも異ならせるといった方法が提案されている。しかし、この特許文献３の方法はビーズをセル内部に散布しているため、上述のとおり、液晶表示装置のコントラストが低下し表示品質に悪影響を及ぼすといった問題を有している。

そのため、フォトスペーサを用いた方法も提案されている(特許文献４)。この方法ではフォトスペーサを画素間の位置すなわち遮光層上に形成できるので、表示品質の向上が望める。しかしながら、異なる高さのフォトスペーサを形成するとコストが増加することになるため、特許文献４の方法ではフォトスペーサはいずれか一色の着色層上にしか配置できない。そのため面内でのフォトスペーサの密度が低下するため、信頼性の低下が懸念される。

特開２００１−９１９５４号公報 特開２００１−９２１２８号公報 特開平６−３４７８０２号公報 特開２００４−２１９５２８号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、マルチギャップ構造を有する液晶表示装置用のカラーフィルタであって、着色層の少なくとも１色が他色と膜厚が異なっていても、高さが均一で変形ムラの少ないフォトスペーサを密度を低下させずに有するカラーフィルタを提供することを課題とするものである。
また、そのカラーフィルタを用いたマルチギャップ構造を有する液晶表示装置を提供することを課題とする。

本発明は、透明基板上に複数色の着色層が、該複数色の着色層の内、少なくとも１色の着色層の膜厚を、液晶層のギャップを異ならせるため他色の着色層の膜厚と相違させて設けられたカラーフィルタにおいて、
１）前記透明基板上に遮光層、フォトスペーサ、及び前記複数色の着色層が、この順に設けられ、
２）フォトスペーサは遮光層上に、複数色の着色層は遮光層間に、その端部を遮光層に乗り上げて設けられていることを特徴とするカラーフィルタである。

また、本発明は、上記発明によるカラーフィルタにおいて、前記複数色の着色層は赤色着色層、緑色着色層、青色着色層で構成され、各色着色層の膜厚が赤色着色層、緑色着色層、青色着色層の順に大きいことを特徴とするカラーフィルタである。

また、本発明は、上記発明によるカラーフィルタにおいて、前記フォトスペーサに加え、該フォトスペーサより０．２〜０．６μｍの範囲高さの低いサブフォトスペーサを有することを特徴とするカラーフィルタである。

また、本発明は、上記発明によるカラーフィルタにおいて、前記フォトスペーサの直径が５〜９μｍφの範囲であることを特徴とするカラーフィルタである。

また、本発明は、上記発明によるカラーフィルタにおいて、前記遮光層の線幅が４μｍ〜１０μｍの範囲であることを特徴とするカラーフィルタである。

また、本発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載するカラーフィルタを用いたことを特徴とする液晶表示装置である。

本発明は、透明基板上に遮光層、フォトスペーサ、及び前記複数色の着色層が、この順に設けられ、フォトスペーサは遮光層上に、複数色の着色層は遮光層間に、その端部を遮光層に乗り上げて設けられているので、マルチギャップ構造を有する液晶表示装置用のカラーフィルタであって、着色層の少なくとも１色が他色と膜厚が異なっていても、高さが均一で変形ムラの少ないフォトスペーサを密度を低下させずに有するカラーフィルタとなる。

一般的なカラーフィルタの構造を説明するための模式的な断面図である。 本発明のカラーフィルタの構造を説明するための模式的な断面図である。

図１に、一般的なマルチギャップ構造の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタを拡大した模式的な断面図を示す。
図１（ａ）に示すように、一般的なカラーフィルタ１は、透明基板２と、この透明基板２上に形成された遮光層３と、赤色着色層４ａ・緑色着色層４ｂ・青色着色層４ｃからなる着色層を備える。着色層の膜厚を透過光の波長に合わせて異ならせることで、画素毎に液晶層のギャップを調整できる。一方、遮光層上には各着色層の端部の乗り上げにより、一部で色重なりがおきている。その乗り上げ量は各画素で異なるため、遮光層上の凹凸は各画素間で異なる状態になる。

図１（ｂ）は、遮光層上の所定の位置にフォトスペーサ５を形成した段階を表したものである。上述したような凹凸部分にフォトスペーサを形成した場合、フォトスペーサの高さにバラツキが生じやすい。また、高さが均一になっても下地の影響によりフォトスペーサの形状にバラツキが生じやすい。結果として、局所的に外部から力がパネルに加わった際に、変形ムラとなり面内でギャップが異なり、表示不良を引き起こす。

次に、本発明のカラーフィルタについて説明する。図２に、本発明のカラーフィルタ１１を拡大した模式的な断面図を示す。
図２（ａ）は、透明基板上に遮光層が形成され、続いて、この遮光層上にフォトスペーサが形成された段階を表したものである。図２（ａ）に示すように、遮光層形成後、すなわち着色層形成前にフォトスペーサ５が遮光層上に形成されている。

図２（ｂ）は、フォトスペーサ５が形成された透明基板上に着色層が形成された段階を表したものである。図２（ｂ）に示すように、フォトスペーサ５は遮光層上に形成されているので、フォトスペーサ５の下地は均一な高さになっている。そのため形成したフォトスペーサの高さのバラツキが低減する。また下地の形状が平面であるため、フォトスペーサの形状のバラツキは少ない。これにより、フォトスペーサの変形ムラが少なく、液晶層も画素毎に均一なギャップが得られるので、信頼性の向上が期待できる。

次に、本発明のカラーフィルタ１１の各構成について説明する。先ず、本発明のフォトスペーサについて説明する。

フォトスペーサ５は、カラーフィルタとＴＦＴ基板とを貼り合わせたときに液晶セルのギャップを決めるものであり、表示品質にとって重要な役割を果たす。本発明のフォトスペーサは一定の高さと変形量を有するものであり、その均一性が要求される。また、他にも形状、大きさ、密度などが要求される。これらは液晶表示装置の設計によって適宜決定される。形成方法は特に限定されないが、通常、感光性樹脂を含むレジストを用いて形成する、フォトリソグラフィ法などが知られている。
本発明のフォトスペーサの直径は５〜９μｍφの範囲である。５μｍ未満だと、フォトスペーサの安定した形成が難しく、９μｍを超える径だと、開口部上にフォトスペーサが形成されてしまうため、表示品質が低下する。

また、本発明ではサブフォトスペーサ（サブＰＳ）を形成してもよい。本発明によれば、フォトスペーサの設置箇所が十分確保できるため、サブＰＳの設置可能な箇所も十分に確保できる。サブＰＳの高さはフォトスペーサよりも０．２〜０．６μｍ低い高さである。０．６μｍを超える低さでは、圧着時にカラーフィルタと対向基板との間に過剰な荷重が加わった際に、余分な荷重をサブＰＳに分散させることができず、フォトスペーサに塑性変形や破壊が発生する危険がある。サブＰＳの形成は、例えば、ハーフトーンマスクなどを用いて、フォトスペーサと共に一括形成するのが望ましい。このことにより、工程の増加やコストの増加を防ぐことも出来る。とくに本発明は、着色層形成前の凹凸の少ない基板上でフォトスペーサを形成するため、一括形成においても、高さの異なるフォトスペーサを面内で均一に形成しやすい。

次に、本発明の透明基板について説明する。
透明基板２としては、透明性があり、ある程度の剛性があればとくに限定されるものではないが、ガラスやポリエステルやポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレンテレフタレート、アクリル樹脂などのフィルム又は薄板を用いることができる。

次に、本発明の遮光層について説明する。
本発明の遮光層３は、線幅が４μｍ〜１０μｍの範囲である。遮光層３は光漏れによるコントラストの低下を防ぐ目的で各色の画素間や、着色層の形成領域の外側に設けられている。このような遮光層は、クロム、酸化クロムの多層蒸着薄膜をパターニングして形成する方法やカーボンブラックなどの遮光性顔料を分散させた樹脂遮光層を用い、通常のフォトリソグラフィ法によって形成する方法などが知られている。そのため、線幅が４μｍ未満では回折光の影響等によりパターンの断面形状が損なわれやすく、１０μｍを超えると開口率が低下する。

次に、本発明の着色層について説明する。
本発明のカラーフィルタは、印刷法またはフォトリソグラフィ法により、赤色着色組成物、緑色着色組成物、青色着色組成物を用いて透明基板上に各色のフィルタセグメント（着色層）を形成することにより製造することができる。本発明の着色層は、各画素の膜厚を透過光の波長に合わせて異ならせている。そのため通常は赤色着色層４ａの膜厚が最も小
さく、次いで緑色着色層４ｂ、青色着色層４ｃの順に膜厚が大きい。
これにより、液晶表示装置を作成したときに、青色画素のギャップが最も小さく、次いで緑色画素のギャップ、赤色画素のギャップの順に大きくなり、所望のマルチギャップ構造を得ることが出来る。

以下に、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。

＜実施例１＞
［遮光層の形成］
洗浄したガラス基板上に黒色感光性樹脂塑性物をスピンコート法にて塗布し、フォトグラフィ法にて線幅が１０μｍのストライプ状の遮光層を設けた。
［フォトスペーサの形成］
その後、フォトスペーサ形成用感光性樹脂組成物をスピンコートにより塗布したのち乾燥させ、９０℃で２分間プリベークを行なった。フォトスペーサおよびサブＰＳ形成用のハーフトーンマスクを通してプロキシミティーアライナーによる近接露光方式により、１００ｍＪ／ｃｍ² 照射した。なお、フォトマスクと基板との間隔（露光ギャップ）は１００μｍで露光した。次に、１．２５質量％の炭酸ナトリウム溶液を用いてシャワー現像した。水洗を施した後、クリーンオーブン中で２３０℃３０分間ポストベークを行い、外径約９μｍ、高さ約３．４μｍのフォトスペーサを形成した。また、高さ約２．９μｍのサブＰＳも一括形成した。
［着色層の形成］
上述のフォトスペーサを形成した後のガラス基板に、赤色感光性樹脂組成物をポストベーク後の膜厚が１．５μｍになるようにスピンコートにて塗布、乾燥させた。この塗膜を着色層形成用のストライプ状マスクを用い、光源に超高圧水銀光灯ランプを用いて露光した。次に、１．２５質量％の炭酸ナトリウム溶液を用いてシャワー現像した後、水洗して、パターニングを完了した。さらに乾燥後、クリーンオーブン中で２３０℃２０分間の焼成を行ない、赤色着色層を形成した。
同様にして、前記の赤色着色層と隣接した位置にポストベーク後の膜厚が１．８μｍのストライプ状の緑色着色層を形成した。さらに同様にしてポストベーク後の膜厚が２．１μｍのストライプ状の青色着色層を形成した。
図２（ｂ）に示すような、フォトスペーサが遮光層上に形成されている構造のカラーフィルタを作成した。

＜比較例１＞
ガラス基板上に着色層の形成後に、フォトスペーサおよびサブフォトスペーサを形成した以外は、実施例１と同様に形成した。
図１（ｂ）に示すような、遮光層上に着色層の端部が乗り上げた該端部上にフォトスペーサが形成された構造のカラーフィルタを作成した。

＜比較例２＞
サブフォトスペーサ（サブＰＳ）の高さを、フォトスペーサよりも０．７μｍ低い高さで形成した以外は、実施例１と同様に形成した。

＜比較例３＞
フォトスペーサの直径が１０〜１２μｍφの範囲になるように、フォトスペーサおよびサブＰＳを形成した以外は、実施例１と同様に形成した。

[評価項目]
（耐圧試験）
耐圧試験は、プッシュプルゲージを用いて、先端が平坦な圧子（先端部面積８０ｃｍ² ）を液晶パネル面に垂直に押し当て、緩衝用ゴムを介して３ｋｇｆ／ｃｍ² の圧力を荷重が均一にかかるようにし、１分間保持したとき輝度ムラの有無を目視で評価した。
（外観検査）
カラーフィルタを観察し、開口部上にフォトスペーサが形成されることに起因する画素部からの光抜けの有無を目視で確認した。

比較した結果について、表１に示す。

表１の結果から、以下のことが明らかである。実施例１および比較例１では、耐圧試験による輝度ムラは発生せず、また外観検査による光抜けも確認されなかった。

（フォトスペーサの高さ評価）
耐圧試験による輝度ムラや外観検査による光抜けの発生がない、実施例１と比較例１のフォトスペーサおよびサブＰＳについて、遮光層からの高さを触針型膜厚計（ＥＴ−４０００ Ｋｏｓａｋａ．Ｌａｂ社製）によって、測定した。その後、面内におけるフォトスペーサおよびサブＰＳの高さバラツキ（Ｒ）について、測定結果の最大値と最小値の差（ＭＡＸ−ｍｉｎ）を求めることで比較、評価した。

比較した結果について、表２に示す。

表２の結果から、以下のことが明らかである。実施例１では、比較例１に比べて面内におけるフォトスペーサおよびサブＰＳの高さのバラツキが少ない。

そのため本発明では、耐圧不良や光抜けの発生がなく、高さが均一で変形ムラの少ないフォトスペーサを有するカラーフィルタを製造することが可能である。また、上記カラーフィルタを用いた液晶表示装置では、表示品質の向上が期待できる。

１……カラーフィルタ
２……透明基板
３……遮光層
４……着色層
４ａ……赤色着色層
４ｂ……緑色着色層
４ｃ……青色着色層
５……フォトスペーサ
１１……本発明によるカラーフィルタ

Claims (6)

1. 透明基板上に複数色の着色層が、該複数色の着色層の内、少なくとも１色の着色層の膜厚を、液晶層のギャップを異ならせるため他色の着色層の膜厚と相違させて設けられたカラーフィルタにおいて、
   １）前記透明基板上に遮光層、フォトスペーサ、及び前記複数色の着色層が、この順に設けられ、
   ２）フォトスペーサは遮光層上に、複数色の着色層は遮光層間に、その端部を遮光層に乗り上げて設けられていることを特徴とするカラーフィルタ。
2. 前記複数色の着色層は赤色着色層、緑色着色層、青色着色層で構成され、各色着色層の膜厚が赤色着色層、緑色着色層、青色着色層の順に大きいことを特徴とする請求項１記載のカラーフィルタ。
3. 前記フォトスペーサに加え、該フォトスペーサより０．２〜０．６μｍの範囲高さの低いサブフォトスペーサを有することを特徴とする請求項１又は２記載のカラーフィルタ。
4. 前記フォトスペーサの直径が５〜９μｍφの範囲であることを特徴とする請求項１、２、又は３記載のカラーフィルタ。
5. 前記遮光層の線幅が４μｍ〜１０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１、２、３、又は４記載のカラーフィルタ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載するカラーフィルタを用いたことを特徴とする液晶表示装置。

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